渗碳钢中加入合金元素，主要目的在于提高钢的淬透性，细化奥氏体晶粒，调节改善钢的渗碳性能和组织等。

( 1 )提高钢的淬透性。碳素渗碳钢，如08F、10、20，因其淬透性低，截面尺稍大的工件心部淬不上火，得不到强化，只适用于只需要求表面耐磨的小型或薄片类工件。淬透性是合金结构钢的重要指标。一般机械零件的设计是依据钢的淬透性和强度来选择钢种的。渗碳钢的淬透性是保证渗层的有效硬化层深度和工件心部有一定马氏体而得到强化的需要。而且因为淬透性高，可选用冷却能力较弱的介质淬火，从而可减小淬火畸变和开裂倾向。提高淬透性的元素有Cr. Mn、Ni、Mo、Si、B等。单独加入对淬透性的影响按递减顺序排列如下:Mn、Mo、Cr、W(溶入奥氏体)、Ni、Si、 Cu。P提高淬透性，Co、S降低淬透性，V、Nh、Zr、Ti、W、Mo溶入奥氏体中，可提高淬透性，以碳化物形式存在则降低淬透性。B对钢的主要影响是提高淬透性，而且只需加入极少的数量就有明显的作用。钢中B的含量只有0.001%~0.004%。B对淬透性的影响与含碳量有关，随着含碳量的增加，B的作用逐渐减小。硼的淬透性因子可近似地用公式fi=1+1.5 (0.9-C) 表示，式中C表示含碳量的质量百分数。可以看出，当碳含量为0.9%时,fe=1，即对淬透性毫无影响。因此，B只对低、中碳含量的钢起提高淬透性的作用，对渗碳层淬透性的影响很小。

(2)细化奥氏体晶粒。渗碳温度高达900~960C，时间又较长，易造成奥氏体晶粒粗化而降低力学性能，需要增加一次较高温度的淬火或正火来细化晶粒，增加了成本，加大了畸变。对于连续渗碳自动生产线，渗碳后经过预冷直接淬火，要求渗碳用钢应该是本质细晶粒钢，并且是加有强烈阻碍奥氏体晶粒长大元素的钢种。强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素有V、Ti、 Nb、Zr。较强阻碍奥氏体晶粒长大的元素有W、Mo。

(3)改善、调节钢的渗碳性能和组织。合金元素的加入，可以改变渗层碳浓度及浓度梯度、渗层深度和渗层组织。良好的渗碳性能包括表面碳量适当、过渡平缓、渗碳速度快等。渗碳淬火后，渗层组织应是细小的马氏体或以马氏体为基础，在其上分布有少量细小粒状碳化物，而没有大量且分布不均匀的大块状碳化物或网状碳化物，并且残余奥氏体量不宜过多,这样，渗碳层的强度、疲劳性能和耐磨性、韧性等都较高。要保证得到这样的组织，首先要通过对炉内碳势的控制来控制渗层的表面含碳量和碳浓度梯度。但同时必须考虑到合金元素的影响。合金元素对渗碳层表面含碳量的影响见图2-11。强与中强碳化物形成元素，如Cr、W、Mo、Ti、V等，它与碳的亲合力较强，在渗碳时与碳形成合金碳化物，固定在过共析层中，即使不形成碳化物，也会促进表面含碳量的增加。由于它们阻碍碳向心部扩散，往往使渗碳层的浓度梯度变陡。非碳化物形成元素，如Ni、Si、Al 等，则会使渗碳层表面含碳量降低，碳的浓度梯度和缓。但应指出，Si 含量过多，会使渗层发生石墨化转变，并减小渗层深度。c弱碳化物形成元素Mn，虽然对渗碳层的含碳量影响不大，但它有使渗碳层碳的浓度梯度变得缓和的良好作用。不过，Mn含量过多，会增大钢的过热倾向，并减小渗碳层深度。因此，可以把Mn作为调节碳浓度梯度的元素加入钢中，但其加入量要适当。合金元素对渗碳层深度的影响如图2-12所示。从图可以看，Mn、Cr、Mo在含量较低时(<2.0%质量分数)，可增加渗碳层深度，Si、Ni 降低渗碳层深度。Cr、 Mo等碳化物形成元素增加表面层碳含量，即增大碳浓度梯度，因而加速了碳原子从表面向心部的扩散，但它们又与碳强烈结合，于是又减缓碳在奥氏体中的扩散，由于前者的作用大于后者，因而增加了渗碳层深度。Si、Ni等非碳化物形成元素降低表面碳浓度，减小钢表面的吸碳能力，即减小碳浓度梯度，因而减慢了碳原子从表面向心部的扩散。但是它们能略微削弱碳在奥氏体晶格内的结合力，有增加扩散的趋势，由于前者的作用大于后者，所以，渗碳层深度明显减少，渗碳后，由于钢表面含碳量大量提高，使渗层的马氏体转变点.(Ms及Mf)降低，从而增加了淬火组织中的残余奧氏体量,如果钢中有过多的降低马氏体转变点的元素，如Cr、Mn、Ni等，将使渗层的马氏体点降得更低，淬火组织中残余奥氏体量过多，对疲劳性能和耐磨性有不利影响，而且在进行磨削时，残余奥氏体有可能转变成马氏体，引起表面裂纹。因此，渗碳钢合金化时，还需要控制会使马氏体点明显降低的元素的加入量，以防止渗碳层中残余奥氏体量过多。通常，在渗碳钢中加入的合金元素有Cr、Mn、Ni、Mo、W.V、Ti、Si、B等，其中，提高淬透性的元素主要是Cr，再配以适量的Mn、Ni、B;起细化晶粒作用的元素主要是少量的Ti.V、Mo、W。由于各元素发挥的作用不同，控制其种类及含量，单一或复合加入钢中，可形成一系列的合金渗碳钢。合金元素的复合加入对淬透性的影响不是简单的代数和，而是相互激发。因此，在合金总量相同的条件下，两种或三种提高淬透性元素同时加入时，其淬透性的提高远大于单独加入一.种同样含量的单-元素的合金钢。另外，两种或两种以上提高淬透性的元素同时加入时，还存在配比问题，以Cr-Ni钢为例，实验表明,Cr: Ni=l : 2~3时对淬透性的影响好，如12CrNi3、20Cr2Ni4、 18Cr2Ni4W 等。